專利名稱：高速公路霧天智能限速顯示裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種測報裝置，特別是涉及一種應用于高速公路上在霧天行車時能夠根據霧的濃淡顯示車速提醒信息的智能限速顯示裝置。
背景技術：
霧的發生及其濃淡直接關系到行車的安全，特別是對于霧天在高速公路上行駛的汽車來講，極易發生追尾相撞事故，造成多輛車毀人亡的重大人身和經濟損失。因此及時了解霧況的變化對于司乘人員來講尤其重要。為解決上述問題，不少科研工作者已作出了大量有益的工作，如北京市科委和北京市氣象局共同在京津唐高速公路上設立三個氣象站對霧進行監測，然后將所得數據與衛星云圖進行參算，之后通過電臺進行預報。由于該方法所得參數不精確，分檔也不細，只能在電臺預報出兩個等級即，濃霧(能見度1000米)和淡霧(能見度2000米)并告知人們宜出行或不宜出行的參考。這個能見度標準是國際航空用的，對于飛機來說1000米的能見度的確算是大霧了，但對于地面行駛的汽車來說根本算不上濃霧，完全可以高速行駛。況且由于在公路上沒有可供指導司機安全行駛的警示設施，并不能解決霧天行車的任何實際問題。除此以外，國內各省、市及各條高速公路(或其他公路)再沒有任何霧天行車的自動警示設施或類似設施。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種安裝在高速公路上并可根據霧的濃淡顯示出安全行駛車速的霧天智能限速顯示裝置，以提醒司機在霧天注意安全行駛，避免交通事故發生。
為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案高速公路霧天智能限速顯示裝置，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安裝的激光器發出的激光信號并將之轉換為電信號；消除自然光干擾電路，用于去除自然光干擾信號，其輸入端與激光接收器的輸出端相連接；一個以微處理器或者單片機為核心組成的信號處理單元，用于對上述信號進行放大、模數轉換并輸出與能見度對應的限速標準電信號，該信號處理單元的輸入端接消除自然光干擾電路的輸出端；一個顯示屏，與信號處理單元的顯示信號輸出端相連接，用于顯示與能見度相對應的限速標準。
所述的信號處理單元由一級放大器、消除白電平電路、二級放大器、A/D轉換電路、微處理器或者單片機、譯碼器、功放電路組成，一級放大器的輸入端與消除自然光干擾電路的輸出端相連接，一級放大器的輸出端與消除白電平電路的輸入端相連接，消除白電平電路的輸出端與二級放大器的輸入端連接，二級放大器的輸出端與A/D轉換電路的輸入端連接，A/D轉換電路的輸出端與微處理器或者單片機的輸入端連接，微處理器或者單片機的輸出端與譯碼電路的輸入端連接，譯碼電路的輸出端與功放電路的輸入端連接，功放電路的輸出端與顯示屏輸入端連接。
所述的消除白電平電路由一個負壓基準源、微調電位器和若干下拉電阻組成，電位器的中心抽頭與所述的一級放大器的輸出端相連接。
所述的激光接收器為一只硅光電池，消除自然光干擾電路為與激光接收器串聯的隔直電容器，在一級放大器的輸出端接有檢波和濾波電路。
所述的激光接收器也可為兩只硅光電池，消除自然光干擾電路由兩只增益相等而輸出電壓極性相反的運放組成，兩只硅光電池的輸出端分別與兩只運放的輸入端相連。
還有一個電力載波電路經推動電路與信號處理單元的輸出端相連接。電力載波電路由光耦、調制電路、高頻功放電路和耦合器組成，光耦的輸入端接所述推動電路的輸出端，光耦輸出端接調制電路輸入端，調制電路輸出端與高頻功放電路的輸入端連接，高頻功放電路的輸出端接耦合器的輸入端。
本實用新型利用激光接收器接收設置在高速公路適當位置的激光發生器發出的激光信號并轉換為電信號，在消除自然光干擾后輸入信號處理單元，由信號處理單元將其放大并進行模數轉換，由于光波在不同濃度的霧介質中有不同程度的衰減，由單片機或微處理器利用設定的程序對信號的衰減程度進行計算處理，輸出與霧的濃度相對應的代表相應安全行駛車速的電信號，送至顯示屏進行顯示。因此本實用新型可以提醒司機安全行駛，從而可有效避免交通事故的發生。本實用新型的顯示裝置可按一定距離間隔安置在高速公路的中間隔離帶上，并且在顯示屏處配套霧燈，以使司機能夠在較遠距離也能看清提示信息。由于本實用新型還配置有電力載波電路，因此可將代表霧況的電信號通過電力網傳送至高速公路管理部門另外配置的中繼機和總臺，中繼機可設置在收費站，總臺可設在高速公路管理局，中繼機供收費站人員口頭提醒司機，高速公路管理局則可利用總臺對霧況進行匯總統計，以便對霧況嚴重的路段采取關閉措施，或對其他可能的情況采取相應措施，并且可把總臺的信息做為歷史資料積累。
圖1是本實用新型的電路方框圖；圖2是本實用新型的電路原理示意圖；圖3是與圖2中虛線所框部分電路對應的另一種形式的電路圖；圖4是電力載波電路的電路原理示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，高速公路霧天智能限速顯示裝置，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安裝的激光器發出的激光信號并將之轉換為電信號；消除自然光干擾電路，用于去除自然光干擾信號，其輸入端與激光接收器的輸出端相連接；一個以微處理器或者單片機為核心組成的信號處理單元，用于對上述信號進行放大、模數轉換并輸出與能見度對應的限速標準電信號，該信號處理單元的輸入端消除自然光干擾電路的輸出端；一個顯示屏，與信號處理單元的顯示信號輸出端相連接，用于顯示與能見度相對應的限速標準。
信號處理單元由一級放大器、消除白電平電路、二級放大器、A/D轉換電路、微處理器或者單片機、譯碼器、功放電路組成，一級放大器的輸入端與消除自然光干擾電路的輸出端相連接，一級放大器的輸出端與消除白電平電路的輸入端相連接，消除白電平電路的輸出端與二級放大器的輸入端連接，二級放大器的輸出端與A/D轉換電路的輸入端連接，A/D轉換電路的輸出端與微處理器或者單片機的輸入端連接，微處理器或者單片機的輸出端與譯碼電路的輸入端連接，譯碼電路的輸出端與功放電路的輸入端連接，功放電路的輸出端與顯示屏輸入端連接。消除白電平電路由一個負壓基準源、微調電位器和若干下拉電阻組成，電位器的中心抽頭與所述的一級放大器的輸出端相連接。
激光接收器可采用一只硅光電池，相應地，在高速公路上安裝的激光發生器為可產生脈沖激光波的激光發生器，消除自然光干擾電路為與激光接收器串聯的隔直電容器，并在一級放大器的輸出端接有檢波和濾波電路。
激光接收器也可采用兩只硅光電池，相應地，在高速公路上安裝的激光發生器為可產生連續激光波的激光發生器，消除自然光干擾電路由兩只增益相等而輸出電壓極性相反的運放組成，兩只硅光電池的輸出端分別與兩只運放的輸入端相連。
電力載波電路經推動電路與信號處理單元的輸出端相連接，它由光耦、調制電路、高頻功放電路和耦合器組成，光耦的輸入端接所述推動電路的輸出端，光耦輸出端接調制電路輸入端，調制電路輸出端與高頻功放電路的輸入端連接，高頻功放電路的輸出端接耦合器的輸入端。
下面結合圖2和圖3所示的電路原理圖對本實用新型的構成和工作原理進行詳細說明任何可見光波在霧介質中傳播時都有不同程度的衰減。利用光電效應把光衰減變成電信號的衰減，衰減的大小與霧的濃度成線性正比關系，以反映霧的濃度。由于短距離測霧容易被干擾，如路邊燃燒東西所形成的局部煙霧，故采用長距離激光測量。考慮到普通光電管是接受白光，而白光不利于小功率遠距離傳輸，而且很難保證產品聚焦的一致性，因而激光接收器采用兩只光譜響應較為理想的2CR1226-01硅光藍電池。如何減少乃至徹底消除自然光干擾則是科技界多年來一直沒有很好解決的難題。目前無論是光學儀器或者是光電產品，還都是延襲傳統的濾光原理，不是加各種各樣的鍍膜就是加各種顏色的濾色片。效果較好的是用很薄的單晶硅片來濾除可見光，用紅外光測量。故然可以濾去自然光，但自然光中包括紅外光，把自然光濾掉了，有用的紅外信號也濾掉了一部分。這一部分究竟是多少？這與單晶硅片的薄厚有直接關系，它們中間有一個系數。系數是由薄厚決定的，而任何生產工藝也無法保證厚度完全一致，這就造成了產品的一致性很差。總之，任何濾光的方法都要濾掉一部分有用信號，既不準確又很難掌握。但無奈之下不得已還得用之。因此，在本實用新型中要將自然光的干擾加以去除。如圖2所示，消除自然光干擾電路由IC1、IC2兩只斬波運放(7650)組成。C2，C3，C5，C6為IC1、IC2頻率補償電容，C1，C4，C11，C18為去耦合電容。7650有自動穩零功能。兩只硅蘭光電池2CR1、2CR2一正一反分別連接兩只運放的同相輸入端第5腳，同時進行同相放大。兩只運放的增益相等而輸出電壓極性相反即IC1輸出為負，IC2輸出為正，分別加在電位器W1兩端再從中心抽頭經電阻R9對地構成回路。IC2輸出正電流經R9入地，而IC1輸出負電流，是由地經R9流向IC1。細調W1可以使兩個電流完全相等，因而相互抵消，徹底消除了自然光的干擾。
激光發生器發出的光束通過霧后投射到其中一只硅光電池2CR2上，則IC2的信號輸出為正，因為是差模信號，與自然光的共模信號毫無關系，故絲毫不受干擾，得到了放大。IC3、IC4是與IC1、IC2完全相同的兩級同相放大器，用于對消除自然光干擾后的信號進行放大。
激光接收器、消除自然光干擾電路和一級放大電路也可如圖3所示，只采用一只硅光電池2CR1作為激光接收器，但這需要將安裝在高速公路上的激光發生器改為能產生脈沖激光波的激光發生器，相應地，采用一只隔直電容器C1與硅光電池相串聯，由于自然光照在硅光電池上產生的是直流信號，這樣就可使其只接收脈沖光而不接收自然光，從而達到消除自然光干擾的目的。將激光接收器接收并轉換成的電信號正向隔直后輸入到運放IC1(7650)同相輸入端進行同相放大，為求運放工作穩定，共采用IC1、IC3、IC4(7650)三級運放作為一級放大器，使第三級7650運放的輸出達到所要求的電壓幅度。同時，在IC4的輸出端接有由二極管D1(2AP9)和電容C16、C22組成的檢波、濾波電路，使脈沖信號轉換成直流信號。
由于激光的穿透力很強，穿過200米的濃霧僅僅衰減3.8-4.2％，故近96％左右都是無用的直流電壓，等于把信號電壓下邊加一個很高的直流電平而抬高了。如果不減去這個直流電平而直接進行放大，很快就會飽合而無法將有效的信號部分進行模數轉換。故電路中加了一個-2.5V TL431基準源和限流電阻R19，調節電位器W2使IC4輸出的正電流中的96％與一個等量的負電流相抵消。IC4輸出的正電流方向是由IC4第6腳出來，進入W2中心抽頭，經W2向右，再經R16入地。與之相減的負電流來自-5V電源，經R19限流后由TL431穩壓成-2.5V再經R18、R17、W2、R16與地構成回路，其電流方向是由地到-5V。調節W2可以使兩個電流完全相等，使IC4的輸出電壓中減去96％的無用電平(稱之為‘白電平’)，剩余的4％左右是有用的信號電壓，再由IC5和IC6繼續進行放大到有效幅度。
模數轉換輸入要求最大信號電壓達到+5V，而減去白電平后的信號電壓只有0.04V左右，則IC5、IC6的總增益為5÷0.04＝125倍。IC6(OP-07)的品質參數不如IC5(7650)好，故放大倍數可以取低一些，則7650增益取1+47÷2＝24.5倍；OP-97取125÷24.5＝5.1倍。故7650的反饋電阻R15取為47K，而OP-07的反饋電阻是由R22和W4串聯的，R22取4.3K，W4取2K可以調節的更精細一些。其中W3(20K)是調節輸入失調電壓的。由于失調電壓的存在，當OP-07第三腳輸入電壓為零時，其第六腳輸出電壓未必是零，此時調節W3可使OP-07輸出電壓達到零。C19是OP-07的去耦合電容。
模數轉換器IC7選用ADC0804，第6腳為模擬量輸入端，18至11腳為數字量輸出端D0～D7，因省去了外部時鐘故接一個由C21和R24組成的積分器。其基準電壓輸入端第9腳由R23和TL431組成-2.5V基準源來提供。C20是A/D轉換器的電源去耦合電容。
目前高速公路上的最高限速一般為每小時110公里，前后車最小距離200米，如果時速越高則前后車距離就越大。就是說，駕駛員正以每小時110公里速度行車，當他發現前方200米處的前車突然停下時，他尚有足夠的時間來處理踩離合器、換檔、減速、剎車等一系列動作，是安全的。因此其實質不是速度，也不是距離，而是時間。我們把這個時間稱為‘安全操作時間’。這個時的長度是200m÷(110km×1000÷3600)＝6.54546S。不管什么速度和距離，只要有6.54546秒的時間，就能保證行車安全。為此，我們可以把200米看作是霧天的能見距離(簡稱能見度)，按上述算法就能反算出行車速度，我們把他看作安全行駛速度(簡稱限速)，該公式為200m/6.54546s＝30.55556m/s＝110km/h，即能見度÷時間常數＝限速標準。根據這個公式即可以推算出霧的各種不同濃度下對應的安全行駛速度即200米-110公里/小時、180米-99公里/小時、160米-88公里/小時、140米-77公里/小時、120米-66公里/小時、100米-55公里/小時、80米-44公里/小時、60米-33公里/小時、40米-22公里/小時、20米-11公里/小時。
單片機IC8(W78E54)作為本實用新型的中心處理單元，其第32至39腳(P00～P07)接ADC0804的第11至18腳(DB0～DB7)作并口輸入。根據上述不同霧濃度下對應的限速標準，編寫程序時將不同能見度200米、180米、160米、140米、120米、100米、80米、60米、40米、20米下對應電壓所轉換來的數據輸入到單片機的內部存儲器中，作為E2PROM的地址碼，并將以上各能見度所對應的限速參數作為‘數據’以16進制碼寫入各地址所對應的單元中去。一個12MHz晶體JT1和兩個33P電容器C25、C26組成單片機的外部振蕩器，給單片機提供12MHz的基頻，分別接W78E54的18、19腳，使一個周期恰好為1μS，便于運算。C27和R25組成積分電路接W78E54第9腳，給單片機提供10μF×10KΩ＝100ms的延時作上電復位用。單片機的第21腳(P20口)接0804的第1腳CS控制0804的片選。外部存儲器寫WR和外部存儲器讀RD分別接0804的WR和RD，控制對0804的讀取。第12腳INT0接0804的第5腳(INTR)，來控制外部中斷。P1口的低四位P10至P13(第1至4腳)作為并行數據輸出，接譯碼推動器IC9(4511)的數據輸入端A、B、C、D(第7、1、2、6腳)；高四位中的前三位P14、P15、P16分別接三個譯碼推動器4511的片選端(第5腳)，控制三個4511輪流工作，并將數據輸送到雙面大顯示屏的推動電路。第11腳串口輸出端(TXD)，通過限流電阻R26接三極管G1(9013)的基極和其下偏置電阻R27，推動三極管工作，將數據輸送到載波電路的光耦輸入端。
如圖4所示，電力載波電路由光電耦合器GO1(LD609)和高頻振蕩調制器IC10(UC3844)；高頻推動變壓器L1～L3；大功率場效應管G2(K2611)；超高速快恢復二極管D2、D3(HER107)；高頻功放變壓器B1；整流全橋BRIDGE(3A)；高頻扼流圈LR(3A)；共模低通抗干擾組件LB1及部分阻、容元件組成。高頻振蕩調制器IC10的基本功能與555時基電路類似，1，2腳和R1、R2、C1共同組成占空比調整電路(按圖中數值其占空比為0.5)，第3腳為過流監測端，外部元件包括分壓電阻R6、R7和濾波電容C4組成。8腳是內部基準電壓輸出端，通過C2、R3、C3組成的π形濾波器向光電耦合器供電，GO1是光電耦合器(LD609)，R8是它的負載電阻，D1是防反灌二極管(4148)。4腳是控制端、6腳是輸出端。當光耦接受到信號導通時，4腳被鉗位到低電平，則6腳就輸出100KHz高頻方波，反之，就無輸出。R4、R5是輸出分壓電阻，C6是輸出耦合電容。100KHz的高頻信號通過C6耦合到變壓器的初級線圈，L1將信號傳遞到兩組次級線圈L2和L3，分別推動兩只大功率場效應管G1、G2(K2611)，R9、R11是兩只場效應管的柵極限流電阻，R10、R12分別是兩只管子的柵漏電阻，目的將柵極上積累的電子對地泄放掉。載波電源是由220V50Hz直接整流、濾波后供電的，故回路中直流電壓很高(220×1.4142×2＝622V)，因為變壓器的自感，實際電壓可以達到1000V，已達到場效應管的極限。故用兩只管子串聯使用，各分擔一半較為安全。兩只快恢復二極管D2、D3(HER107)的作用是當兩個場效應管導通時，電流流過功放變壓器初級線圈將鐵芯磁化(由電能轉換為磁能)，當兩個場效應管截止時，鐵芯消磁又通過線圈把磁能轉換為電能，這個電流在變壓器初級線圈中的方向保持不變，仍然是上入下出，從電壓的判斷來看，既然電流由線圈下端流出當然下端是正極，對兩個場效應管說加的是反向電壓，故而燒毀。兩個快恢復二極管D2和D3分別反相接在回路中，當兩個場效應管導通時，D2、D3反向不導通，而兩個場效應管截止時，線圈放電，其方向正好與D2、D3方向一致，則分別將這個反向電壓經D3、D2送回到正、負電源，從而保護了一對場效應管。功放變壓器次級兩端分別接一個高壓電容C7、C8(0.33μF/250V)作為搭載器接入市電網。這兩個容量對于100KHz來說其容抗只有1/2π×105×0.33×106×2＝9.65Ω，而對于50Hz來說，其容抗卻有1/2π×50×0.33×10-6×2＝19.3KΩ，因此，它保證了不受市電干擾而又能把載波信號不受損失的發送出去。載波電路電源部分由濾波電容C9(100μF/250V)、C10(0.01μF/2000V)和整流全橋(3A/1000V)、高頻扼流圈、共模低通抗干擾組件組成(其中包括一個磁環變壓器LB1和四個高壓電容器C11、C12、C13、C14)。濾波電容的作用是濾掉50Hz波紋和提高電源負載能力。共模低通抗干擾組件的作用是除50周以外的其他共模信號一律不準通過。高頻扼流圈的作用是防止已發送到市電網上的載波信號再度從電源電路返回，造成波形畸變。
本實用新型可按霧的分布概率(約25-35公里)大體與按自然行政區、縣而設置的路口對應設置，靠近每個路口的高速公路中間隔離帶上設置一臺。它可以根據霧的不同濃度變化而顯示不同的安全行駛速度，以醒目的大字提醒過往車輛注意，避免事故發生。同時，以數字通訊方式將霧況(能見度)發送到中繼機和總臺(中繼機設在收費站，總臺分別設在高速公路管理局、電視臺和氣象臺)，中繼機供收費站人員口頭提醒上路司機，總臺自動查詢各路段數據，匯總顯示并打印出整條高速公路上的不同霧況，供交通管理、天氣預報和霧況歷史資料的積累。
權利要求1.高速公路霧天智能限速顯示裝置，其特征在于，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安裝的激光器發出的激光信號并將之轉換為電信號；消除自然光干擾電路，用于去除自然光干擾信號，其輸入端與激光接收器的輸出端相連接；一個以微處理器或者單片機為核心組成的信號處理單元，用于對上述信號進行放大、模數轉換并輸出與能見度對應的限速標準電信號，該信號處理單元的輸入端接消除自然光干擾電路的輸出端；一個顯示屏，與信號處理單元的顯示信號輸出端相連接，用于顯示與能見度相對應的限速標準。
2.如權利要求1所述的限速顯示裝置，其特征在于，所述的信號處理單元由一級放大器、消除白電平電路、二級放大器、A/D轉換電路、微處理器或者單片機、譯碼器、功放電路組成，一級放大器的輸入端與消除自然光干擾電路的輸出端相連接，一級放大器的輸出端與消除白電平電路的輸入端相連接，消除白電平電路的輸出端與二級放大器的輸入端連接，二級放大器的輸出端與A/D轉換電路的輸入端連接，A/D轉換電路的輸出端與微處理器或者單片機的輸入端連接，微處理器或者單片機的輸出端與譯碼電路的輸入端連接，譯碼電路的輸出端與功放電路的輸入端連接，功放電路的輸出端與顯示屏輸入端連接。
3.如權利要求2所述的限速顯示裝置，其特征在于，所述的消除白電平電路由一個負壓基準源、微調電位器和若干下拉電阻組成，電位器的中心抽頭與所述的一級放大器的輸出端相連接。
4.如權利要求2或3所述的限速顯示裝置，其特征在于，所述的激光接收器為一只硅光電池，消除自然光干擾電路為與激光接收器串聯的隔直電容器，在一級放大器的輸出端接有檢波和濾波電路。
5.如權利要求2或3所述的限速顯示裝置，其特征在于，所述的激光接收器為兩只硅光電池，消除自然光干擾電路由兩只增益相等而輸出電壓極性相反的運放組成，兩只硅光電池的輸出端分別與兩只運放的輸入端相連。
6.如權利要求1、2或3所述的限速顯示裝置，其特征在于，還有一個電力載波電路經推動電路與信號處理單元的輸出端相連接。
7.如權利要求6所述的限速顯示裝置，其特征在于，電力載波電路由光耦、調制電路、高頻功放電路和耦合器組成，光耦的輸入端接所述推動電路的輸出端，光耦輸出端接調制電路輸入端，調制電路輸出端與高頻功放電路的輸入端連接，高頻功放電路的輸出端接耦合器的輸入端。
專利摘要本實用新型涉及一種高速公路霧天智能限速顯示裝置，它包括激光接收器，用于接收高速公路上安裝的激光器發出的激光信號并將之轉換為電信號；消除自然光干擾電路，用于去除自然光干擾信號，其輸入端與激光接收器的輸出端相連接；一個以微處理器或者單片機為核心組成的信號處理單元，用于對上述信號進行放大、模數轉換并輸出與能見度對應的限速標準電信號，該信號處理單元的輸入端接消除自然光干擾電路的輸出端；一個顯示屏，與信號處理單元的顯示信號輸出端相連接，用于顯示與能見度相對應的限速標準。本實用新型可根據霧的濃淡顯示出安全行駛車速，以提醒司機在霧天注意安全行駛，避免交通事故發生。
文檔編號G08G1/0967GK2616964SQ03245830
公開日2004年5月19日 申請日期2003年5月16日 優先權日2003年5月16日
發明者生慶申 申請人:生慶申, 劉云抒